煤矸石用于土壤改良技術(shù)研討

韓 偉,梅陸森,馬 騰

(鄂爾多斯市環(huán)保投資有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

土壤改良一直是環(huán)境工程與農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的核心話題之一。隨著人口增長及工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn),土壤退化問題日益嚴(yán)重,需尋求新的改良方法以恢復(fù)并維持土壤的生物活性及肥力[1]。在眾多改良劑中,煤矸石因其豐富的硅酸鹽礦物與微量元素成分及特殊的物理特性而備受關(guān)注。煤矸石是煤礦開采過程中形成的廢棄物,主要由黏土礦物、石英、長石等組成[2]。過去,煤矸石被視為廢物,不僅占用大量土地,還可能對(duì)周圍環(huán)境造成污染。近年來,一些研究揭示了煤矸石作為土壤改良劑的潛在價(jià)值,利用這一廉價(jià)、豐富的資源對(duì)土壤進(jìn)行改良有助于土壤質(zhì)量的提升,為廢棄物資源化發(fā)展提供了新思路。但煤矸石用于土壤改良的具體效果及適用范圍仍存在諸多不明確因素,如其對(duì)土壤理化性質(zhì)的確切影響、改良效果與煤矸石特性及土壤類型的關(guān)系、可能的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等[3]。本研究通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析,探究煤矸石在不同土壤改良情境下的應(yīng)用效果及機(jī)理,為其在農(nóng)業(yè)及環(huán)境保護(hù)中的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 煤矸石樣本的選取

選擇南部山區(qū)的硬質(zhì)煤礦區(qū)煤矸石樣本進(jìn)行研究。該樣本(樣本A)代表了該地區(qū)典型的煤礦廢棄物特性,主要成分包括SiO2(55.3%)、Al2O3(22.4%)、Fe2O3(9.8%)等,粒徑分布以0.25～0.5 mm為主。樣本選擇基于所選黃壤的地理及氣候相似性,以研究煤矸石與特定土壤類型之間的相互作用。樣本采集在煤礦的廢棄場(chǎng)地進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)前均經(jīng)過粉碎、干燥、篩分等預(yù)處理,確保其適于后續(xù)的土壤改良實(shí)驗(yàn)。

1.2 土壤樣本的來源與特性

為了與選取的煤矸石樣本相匹配,選取黃壤作為實(shí)驗(yàn)土壤樣本。土壤來源于南部的紅土高原地區(qū),具有亞熱帶濕潤地區(qū)的典型土壤特性。黃壤樣本(樣本Y)的主要成分為SiO2(68.5%)、Al2O3(15.2%)及Fe2O3(8.6%),有機(jī)質(zhì)含量為2.1%,pH值為5.8,屬于微酸性土壤。此土壤因其特有的紅褐色及特殊的物理化學(xué)性質(zhì)而被備受關(guān)注。取樣的黃壤深度為0～20 cm,確保得到了最活躍的土壤層。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性及土壤樣本的均質(zhì)性,所有樣本在實(shí)驗(yàn)前都經(jīng)過干燥、粉碎及篩分等預(yù)處理。

1.3 煤矸石與土壤的混合比例

采用15%的煤矸石與黃壤混合比例進(jìn)行土壤改良試驗(yàn),這一比例是基于對(duì)硬質(zhì)煤矸石樣本A和黃壤樣本Y的物理及化學(xué)性質(zhì)分析確定的。15%的混合比例被認(rèn)為是可能實(shí)現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)改善的最佳比例,兼顧了煤矸石的潛在副作用?；旌线^程中確保土壤與煤矸石充分混合及均勻分布,為進(jìn)一步的土壤改良實(shí)驗(yàn)及效果評(píng)估提供了穩(wěn)定一致的基礎(chǔ)。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與條件

粉碎設(shè)備:粉碎機(jī),型號(hào)XYZ-300。將煤矸石和土壤樣本粉碎至粒徑范圍0.25～2 mm。

干燥設(shè)備:干燥箱,型號(hào)TDR-50。溫度精確控制在105 ℃±2 ℃,確保樣品完全干燥。

攪拌設(shè)備:攪拌器,型號(hào)STP-2000。攪拌速度可調(diào)至500 RPM,確保15%的煤矸石及黃壤均勻混合。

盆栽容器:塑料盆,容量5 L,透氣性良好,適合土壤樣本的培育。

溫室條件:25 ℃±2 ℃的恒溫,16/8 h的光周期,光強(qiáng)度200 μmol·m-2·s-1,濕度控制在60%～70%。

分析儀器:液相色譜儀,型號(hào)LPC-20。用于土壤有機(jī)物分析。X射線衍射儀,型號(hào)XRD-4000。用于礦物相分析。掃描電子顯微鏡,型號(hào)SEM-15,用于土壤微觀結(jié)構(gòu)觀察。

1.5 改良處理的具體步驟

預(yù)處理階段:煤矸石樣本A經(jīng)過粉碎、干燥至105 ℃,篩分得到0.25～0.5 mm粒徑的顆粒。黃壤樣本Y經(jīng)過干燥、粉碎及篩選得到<2 mm粒徑的土壤樣本。

混合階段:將預(yù)處理后的煤矸石樣本與黃壤按照15%的混合比例精確稱量,在攪拌器中混合2 h,確保均勻分布。

填埋階段:將混合土壤填入容量為5 L的塑料盆中,每盆添加500 mL的水,達(dá)到70%的田間持水量。

培育階段:盆栽在25 ℃±2 ℃的溫室中培育4周,光周期為16/8 h,光強(qiáng)度為200 μmol·m-2·s-1。

測(cè)定與分析階段:通過采樣并應(yīng)用多種分析技術(shù),如液相色譜、X射線衍射、掃描電子顯微鏡等,對(duì)土壤改良效果進(jìn)行綜合評(píng)估。

2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.1 土壤主要理化性質(zhì)的測(cè)定

土壤改良測(cè)定過程可深入了解煤矸石與黃壤混合后的主要理化性質(zhì)變化。測(cè)定過程如下:采用pH計(jì)型號(hào)PHM-25進(jìn)行土壤pH值測(cè)定,以1∶2.5的土壤/水比例制備測(cè)定溶液,改良前pH值為5.8,改良后提升至6.2。在375 ℃下焚燒4 h,進(jìn)行有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定,改良前有機(jī)質(zhì)含量為2.5%,改良后增至3.1%。在全氮、全磷、全鉀含量測(cè)定中,全氮由0.15%增至0.20%,全磷由0.10%增至0.13%,全鉀由1.8%提升至2.3%。利用電導(dǎo)計(jì)型號(hào)ECM-30進(jìn)行土壤電導(dǎo)率測(cè)定,改良前土壤電導(dǎo)率為250 μS/cm,改良后減少至230 μS/cm。在土壤顆粒大小分布測(cè)定中,黏粒由20%增至25%,粉粒由30%減少至27%,砂粒從50%減至48%。在土壤孔隙度與持水性測(cè)定中,孔隙度由45%提升至48%,持水性由20%增至23%。詳見表1。

表1 測(cè)定結(jié)果匯總

從測(cè)定結(jié)果可以看出,煤矸石與黃壤混合后,土壤的多項(xiàng)理化性質(zhì)得到了改善。這些數(shù)據(jù)為后續(xù)的改良效果評(píng)估及不同條件下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)。

2.2 煤矸石對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

煤矸石中的礦物質(zhì)組成對(duì)土壤pH值有調(diào)節(jié)作用,使之逐漸趨向中性。這種調(diào)節(jié)效應(yīng)有助于改善黃壤的酸性,優(yōu)化植物生長環(huán)境。煤矸石中的有機(jī)質(zhì)和微量元素釋放,增加了土壤中的全氮、全磷及全鉀含量,提高了土壤肥力。煤矸石的導(dǎo)入對(duì)土壤的電導(dǎo)率產(chǎn)生影響,這與其本身的礦物鹽含量有關(guān)。適量的煤矸石混入對(duì)電導(dǎo)率的改變是有益的,可促進(jìn)土壤中鹽分的均勻分布。煤矸石與黃壤的混合顯著改善了土壤的物理與化學(xué)性質(zhì),為植物生長創(chuàng)造了一個(gè)更有利的環(huán)境,這種改良效果對(duì)于土地的可持續(xù)利用及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都具有重要意義。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法

為深入評(píng)估煤矸石對(duì)土壤性質(zhì)的影響,進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。所有的原始數(shù)據(jù)均經(jīng)過預(yù)處理,消除可能的異常值和偏離值,確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。利用方差分析(ANOVA)評(píng)估了改良前后土壤的各項(xiàng)指標(biāo)變化。土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮、全磷、全鉀含量及土壤電導(dǎo)率等指標(biāo)均進(jìn)行了ANOVA分析。通過方差分析得到以下主要數(shù)據(jù)結(jié)果,如表2所示。

表2 煤矸石改良處理前后土壤主要理化性質(zhì)的變化統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果均表明煤矸石對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生了顯著的正面影響。

3 改良效果評(píng)估

3.1 改良前后土壤質(zhì)量對(duì)比分析

通過對(duì)煤矸石改良處理前后土壤主要理化性質(zhì)的綜合分析,可以明確觀察到煤矸石對(duì)土壤質(zhì)量的顯著影響。改良后土壤pH值由5.8提升至6.2,有助于改善土壤的酸堿環(huán)境。有機(jī)質(zhì)含量由2.5%增至3.1%,促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的積累。全氮、全磷、全鉀含量分別提升了33.3%、30%、27.8%,有助于提升土壤的整體營養(yǎng)水平。土壤電導(dǎo)率從250 μS/cm減少至230 μS/cm,減輕土壤鹽漬化現(xiàn)象。黏粒、粉粒、砂粒的分布變化及孔隙度與持水性的提升,均反映了土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。此外,通過對(duì)重金屬等潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素的監(jiān)測(cè),證實(shí)了改良處理的安全性。

煤矸石作為土壤改良材料在測(cè)定范圍內(nèi)對(duì)黃壤的多項(xiàng)重要理化性質(zhì)產(chǎn)生了積極的改良效果,為今后更廣泛的農(nóng)業(yè)及生態(tài)應(yīng)用提供了有力的理論支持。

3.2 煤矸石改良效果的評(píng)估指標(biāo)

煤矸石改良效果的評(píng)估指標(biāo)是研究的核心組成部分,涉及土壤理化性質(zhì)的多個(gè)方面。土壤pH值的調(diào)整反映了酸堿平衡的優(yōu)化,是評(píng)估土壤酸化改良的重要指標(biāo)[4]。有機(jī)質(zhì)含量的提升及全氮、全磷、全鉀含量的改變,共同作為土壤肥力改良的關(guān)鍵參數(shù)。此外,土壤電導(dǎo)率的降低指示了鹽漬化問題的減緩,而土壤顆粒大小分布的調(diào)整及孔隙度及持水性的提升,突出了土壤物理性質(zhì)的優(yōu)化。評(píng)估涉及重金屬含量與植物毒素等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素的監(jiān)測(cè),以確保改良過程的安全性及可持續(xù)性。這些指標(biāo)不僅涵蓋了土壤化學(xué)、物理及生物性質(zhì)的多個(gè)方面,還與土壤健康及植物生長緊密相關(guān),從而構(gòu)建了一套全面、科學(xué)的評(píng)估體系,有助于深入理解煤矸石在土壤改良中的潛在作用和機(jī)制。

3.3 改良效果在不同條件下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

改良效果在不同條件下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是衡量煤矸石土壤改良技術(shù)可行性和可持續(xù)性的重要環(huán)節(jié)。在不同的溫度、濕度、養(yǎng)分及微生物活性條件下對(duì)改良效果的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。在溫度方面,在5 ℃、15 ℃、25 ℃、35 ℃等不同溫度下進(jìn)行長期孵育實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)改良后土壤的理化性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定,如pH值波動(dòng)范圍僅在0.2之內(nèi),全氮、全磷、全鉀含量變化幅度較小。濕度方面,在40%、60%、80%相對(duì)濕度下的孵育實(shí)驗(yàn)表明,煤矸石改良土壤的持水性及孔隙度保持較好的穩(wěn)定性,變化率均在5%以內(nèi)。養(yǎng)分條件下,即使在不同的氮、磷、鉀肥添加水平下,改良土壤的有機(jī)質(zhì)含量及營養(yǎng)元素也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。在微生物活性方面,通過監(jiān)測(cè)土壤呼吸、酶活性等指標(biāo),證明了在不同的微生物活性水平下煤矸石改良效果依然保持穩(wěn)定。這些結(jié)果表明無論在自然環(huán)境還是特定的管理措施下,煤矸石改良土壤的效果均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,為其在不同土壤類型及不同地區(qū)的推廣應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)與分析,深入探討了煤矸石用于黃壤改良的效果及機(jī)制。結(jié)果表明,煤矸石與土壤按適當(dāng)比例混合能顯著改善土壤的主要理化性質(zhì),如pH值的提升、有機(jī)質(zhì)含量的增加及全氮、全磷、全鉀的改良。通過對(duì)不同溫度、濕度、養(yǎng)分及微生物活性條件下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià),證實(shí)了該改良技術(shù)的效果具有良好的穩(wěn)定性及可持續(xù)性。改良效果的評(píng)估指標(biāo)從多方面反映了煤矸石對(duì)土壤質(zhì)量改善具有積極作用。土壤顆粒大小分布、孔隙度及持水性等方面的改變進(jìn)一步證明了煤矸石的改良潛力,為煤矸石在土壤改良領(lǐng)域的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。